固定翼超低空航空摄影测量系统在1:500地形测量中的验证
摘要无人机技术在中小面积的摄影测量有较高的实用价值，本文介绍了无人飞机的组成、飞行试验、1：500成图，对其应用的精度进行了检验和验证。
关键词无人机技术；摄影测量；精度统计
随着固定翼无人机技术、CCD成像技术、空间技术等方面的迅速发展，利用无人机作为遥感平台搭载经过可量测化处理后的CCD工业相机进行超低空航空摄影，来获取中小面积高分辨率数码航测影像以代替常规测绘航空摄影测量技术手段成为现实可能。常规的航空摄影受制于天气、空域管制、成本等因素，无人机技术可以实现高效、实时、自主、经济地获取高分辨率空间数据采集，本文就“固定翼超低空航空摄影测量系统”项目的实施进行验证。
1固定翼超低空航空摄影测量系统的组成
1.1系统构成
固定翼超低空航空摄影测量系统由固定翼无人机、CCD数码相机、自驾仪、相机稳定平台和地面站等硬件及航带设计、相机纠正、飞行管理、资料整理等软件组成。
图1固定翼超低空航空摄影测量系统
1.2飞行平台的主要技术参数
1）发动机类型：111cc，机翼翼展：3.2米，飞行器重量：33公斤，有效载荷：10公斤，最大速度：150公里/小时，巡航速度：100公里/小时，可抗最大侧风风速：5-6级，起飞距离：50—80米，最大飞行高度：4500米。
2）传感器采用工业级CCD芯片作为相机成像单元，采用高速快门镜头来控制航向像移。利用共线方程式获取相机径向、切向等畸变差参数，使相机实现可量测化。相机主要技术参数：CCD象元大小：6.8微米，CCD像素数：3000—5800万，相机焦距：45mm，获取相机的内方位元素和镜头的畸变差。
3）姿态稳定平台及机载GPS：由于固定翼无人在仰俯方面每秒钟校45次姿态，设计了航向旋片和侧滚两轴校正平台，保证曝光时刻相机处于理想的曝光姿态。两轴的校正补偿极限为±15度。机载GPS为后续数据处理辅助空中三角测量提供高精度的相机外方位元素的三个线元素Xs，Ys，Zs。在实际生产作业中可以大量减少外业相片控制工作。
4）飞行控制平台能够根据航带设计数据，控制固定翼无人机按照设计的航线飞行和按照设计的曝光点经纬度坐标，控制相机的曝光。
2成图过程的验证
2010年12月24日湖南地质测绘院和武汉海地测绘科技有限公司在衡阳市选定约4平方公里范围进行了1:500比例尺地形图成图无人机航空摄影测试工作，分别进行了飞行质量试验和精度测试试验。
图2测试区域
2.1飞行质量的检查
飞行质量试验的目的是通过实验检测无人机飞行性能、相机在空中作业性能、姿态稳定平台的可靠性能以及系统硬件协调工作的能力，能够按照设计的目标，获得满足国家测绘航空摄影的技术要求。
飞行质量试验设计相对行高350米，地面实际分辨率为5-6厘米，航向重叠度为63%，旁向重叠度为33%。测试结果拼接的效果，见图3。
上面列举了1-5航线的飞行质量，从拼接效果可以看出，本次试验飞行旋偏、侧滚及仰俯三维角度纠正具有很好的效果，满足国家摄影测量规范要求。
2.2实验结果分析
试验按照航向63%，旁向33%，航高350米设计。下面是统计分析结果：
1）航线弯曲度：在CAD下量测，航线长度1572米，主点最大偏移量13.8米，根据公式：13.8/1572=0.9%，满足国家测绘航空摄影3%的要求。
2）旋偏和倾角：倾角最大2.66度，小于3度，旋偏最大2.1度，小于三度，满足国家测绘航空摄影的要求（表1）。
3）航高控制：飞行高度与设计航高最大差异12.7米，小于5%，满足国家测绘航空摄影的要求（表2）。
4）相片重叠度：本次摄影，对128张，4条航线重叠度进行量算和统计，结果如表3。
综合上述分析，本系统飞行质量可以满足国家《1：500 1：1000 1：2000地形图航空摄影规范》的技术要求。
2.3像控点的布设、空三加密和成图
依据国家摄影测量规范和结合自身的特点与要求，实验区采取的是区域网布点方案，常规空三加密的方式，对于检查图幅采用两作业员对同一幅图进行测量。
3成图精度的检测
1）检测相对的分布。为检核加密和控制变形的情况，选择测区中央地带垮两条航线的两个像对和测区边缘的一个相对。
2）检测点的选择。①类型：平面位置以高度不同的房屋顶为主，与地面相对平坦的道路边线、路灯、花圃拐角、斑马线为辅；高程以铺装路面为主，适当选取部分房屋拐点。②分布：选取像对中央少部分点位，约占总数的20％，选取像对边缘部分点位，约占总数的80％。③全站仪外业碎部测量方法：按照1：500数字化测图的标准，镜站可以到达的位置均采用棱镜采点，高层建筑物屋顶采用免棱镜方式，所有点位的采集均在控制点本站或一个支站的情况下采集，支站时采集了重复碎部点进行检测。
3）精度统计和结论。共检测3个像对，96个点位，三个粗差点，剔除两个大于两倍中误差的粗差后，假定全站仪外业碎部测量的坐标为真值的情况下，平面精度m=0.148米，根据《城市测量规范CJJ8-99》地形测量4.1.8和城市航空摄影测量5.1.2的规定，对于1：500图上地物点相对于邻近图根点的点位中误差为±0.25米，因此，平面精度完全符合城市测量规范的要求，统计如下：
该区均为平坦地区，绝大部分地物点检测不到高程，高程检测31个点，m=0.095米，根据《城市测量规范CJJ8-99》地形测量4.1.9和城市航空摄影测量5.1.2的规定，城市建筑区和基本等高距为0.5m的平坦地区，其高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差不得大于±0.15米，因此，高程精度完全符合城市测量规范的要求，统计如下：
4经验总结 1）像对定向决定图幅的系统性，由不同作业员对同一像对进行定向和测图，存在0.1m左右的系统偏差，因此作业时特别注意像对的定向精度。
2）碎部测量时，不同作业员在判断屋檐时边沿把握标准不一，对同一房屋的宽度采集存在0.1m左右的宽度偏差，如图4黑色宽度小于深灰色线宽度0.12m。因此，对内业作业员的操作技术培训显得尤为重要。
3）像对边缘地区的平面和高程精度相对较差，因此，在生产作业时，原则上采用相对中心位置作业精度相对较高。
参考文献
[1]程崇木等.固定翼无人机航空摄影测量精度探讨,人民长江,2010,6.
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容